Peines de frecuencia óptica: transferencia de pureza espectral

Los peines de frecuencia óptica (OFC) son fuentes de luz láser precisas cuyos espectros consisten en una serie de líneas de frecuencia equiespaciadas -que se asemejan a los dientes de un peine. Como reglas de alta precisión para medir frecuencias ópticas, los OFC han revolucionado la medición y la metrología de precisión desde su desarrollo a finales de los años 1990. Una de las capacidades más importantes que permiten los OFC es la transferencia de pureza espectral. Se refiere a la capacidad de un OFC para transferir la pureza espectral-la estabilidad de frecuencia y el estrecho ancho de línea-de una fuente de luz a otra que opera a una longitud de onda diferente.

En una implementación de ruido ultrabajo- (patentada por Menlo Systems¹), la transferencia de pureza espectral preserva las características de los sistemas de referencia ópticos ultraestables en todo el espectro de peine, incluidas las salidas convertidas en frecuencia-que abarcan las regiones espectrales del visible al infrarrojo medio-.

Introducción a los peines de frecuencia óptica

Un OFC es una fuente láser cuyo espectro óptico consta de una serie de líneas de frecuencia discretas e igualmente-espaciadas. En el dominio de la frecuencia, esta estructura regular se asemeja a los dientes de un peine. Los OFC se generan más comúnmente utilizando láseres ultracortos y modelados (ver Fig. 1, arriba). El modelado es una técnica en la que los modos longitudinales de una cavidad láser se ven obligados a oscilar con una relación de fase fija. En consecuencia, el láser emite una serie de pulsos ópticos ultracortos. El pulso circulante se propaga hacia adelante y hacia atrás dentro del resonador láser a una velocidad de repetición.f_reps, que está determinado por el tiempo de ida y vuelta-de la cavidad. Durante cada viaje de ida y vuelta, se extrae una pequeña cantidad de energía de pulso a través de un espejo parcialmente transmisivo para formar la salida del láser. En el dominio del tiempo, esta salida aparece como un tren de pulsos regular y en el dominio de la frecuencia, corresponde a un peine de líneas espectrales equidistantes (ver Fig. 1, abajo).

Debido a la dispersión en la cavidad del láser, la velocidad de grupo de la envolvente del pulso suele diferir de la velocidad de fase de la portadora óptica. Este desajuste resulta en un cambio de fase gradualΔφde la onda portadora con respecto a la envolvente del pulso de un viaje de ida y vuelta al siguiente. Este fenómeno se conoce como desplazamiento de fase de la envolvente portadora- (consulte la figura. 1, abajo a la izquierda).

Idealmente, en ausencia de ruido y perturbaciones externas, la relación de Fourier entre los dominios de tiempo y frecuencia implica que un tren de pulsos estrictamente periódico corresponde a un conjunto discreto de modos de frecuencia igualmente espaciados (ver Fig. 1, abajo a la derecha).

En el dominio de la frecuencia, las líneas de peine individualesν_n están dados por:

v_n = nf_reps + f_{director ejecutivo},

dóndenes un índice en modo entero,f_repses la frecuencia de repetición del pulso, yf_{director ejecutivo}denota la frecuencia de desplazamiento de la envolvente-del operador. Todo el espectro del peine se desplazaf_{director ejecutivo}como resultado del deslizamiento de fase de la envolvente del pulso-a-portadora de pulso-, mientras que el espacio entre líneas adyacentes está determinado únicamente porf_reps. En la práctica, tanto la tasa de repeticiónf_repsy la frecuencia de desplazamiento del sobre-del operadorf_{director ejecutivo} debe medirse y estabilizarse activamente para que un láser pulsado ultrarrápido funcione como OFC. La medida def_repses comparativamente sencillo, porque normalmente se encuentra dentro del rango de decenas de megahercios a unos pocos gigahercios y puede detectarse utilizando un fotodiodo rápido. La estabilización de la tasa de repetición se logra cerrando un circuito de retroalimentación en los actuadores que permiten ajustes efectivos de la longitud de la cavidad. Por el contrario, medir y controlarf_{director ejecutivo}es significativamente más complejo y representó un desafío importante en el desarrollo inicial de la tecnología OFC.

Diferencia-peines de frecuencia de generación de frecuencia (DFG)

Históricamente, una de las primeras estrategias para lidiar con la frecuencia de compensación de la envolvente-portadora fue un esquema óptico que evita por completo la necesidad de su medición y control explícitos. Esto se logra utilizando el proceso no lineal inherentemente estable de la fase de la envolvente portadora de DFG para crear una réplica del tren de pulsos láser original, lo que resulta en un promedio f_{director ejecutivo}valor de cero (<f_{director ejecutivo}>= 0). En dichos OFC basados ​​en DFG-, dos componentes espectrales distintos que se originan en el mismo oscilador láser (normalmente después de un ensanchamiento espectral en fibras no lineales) se mezclan en un cristal no lineal. En un caso ideal, ambos componentes llevarán el mismof_{director ejecutivo}, por lo que restar sus frecuencias cancelará la compensación para producir un "OFC libre de compensación". Desde un punto de vista puramente técnico, los OFC sin compensación-ofrecen simplicidad al requerir solo un bucle de control: su única variable de control es la tasa de repetición.f_reps. Pero esto conlleva una compensación: un valor esperado<f_{director ejecutivo}>= 0 no implica la ausencia total def_{director ejecutivo}ruido de fase. En otras palabras, si bien el proceso DFG elimina la compensación promedio, no suprime el ruido incoherente asociado conf_{director ejecutivo} (ver figura. 2). En cambio, se ha demostrado que los OFC basados ​​en DFG- exhiben una escala cuadrática del ruido de fase con la frecuencia, descrita por un modelo de "cinta elástica" con un punto fijo a frecuencia cero.²

En retrospectiva, vale la pena señalar que la técnica de generar peines de frecuencia libre-desplazados mediante DFG fue patentada originalmente por la Sociedad Max Planck,³y durante los primeros días de la comercialización de OFC se concedió licencia exclusiva a Menlo Systems. El método sigue siendo muy ventajoso para la generación de radiación de peine de frecuencia-en longitudes de onda que de otro modo serían difíciles de-acceder, por lo que seguimos usando DFG para ampliar la cobertura espectral hasta el infrarrojo medio-y más allá.

Peines de frecuencia auto-referenciados

Después del desarrollo de los primeros sistemas de peine prácticos, los avances en las fibras ópticas no lineales permitieron una detección fiable del desplazamiento de la envolvente portadora-. Estos desarrollos permitieron la generación relativamente simple y eficiente de peines que abarcan octavas-; es decir, peines de frecuencia que cubren un rango de frecuencia de más del doble de su frecuencia más baja. Con espectros de peine que abarcan-octavas disponibles, la frecuencia de desplazamiento de la envolvente-portadora se puede caracterizar utilizando un método sencillo de autorreferencia-. Este método se basa en un interferómetro que heterodina dos porciones distintas del espectro de peine: Un modo de peine con índicenen el extremo rojo del espectro

v_n = nf_reps + f_{director ejecutivo}

se envía a través de un cristal no lineal para generar su segundo armónico

2v_n = 2(nf_reps + f_{director ejecutivo}),

que se desplaza dos veces la frecuencia de compensación. Esta frecuencia-señal duplicada luego se compara con un modo peine con índice 2n

v_2n = 2nf_reps + f_{director ejecutivo}.

La nota de tiempo entre estas dos frecuencias revela directamente la frecuencia de desplazamiento de la envolvente-portadora:

2v_n − v_2n = f_{director ejecutivo}.

Este método "f–2f" es nada menos que un logro histórico en la tecnología OFC porque permite la medición directa de la frecuencia de desplazamiento de la envolvente-de la portadora. En particular, admite la implementación de actuadores de control de dispersión activos dedicados dentro de la cavidad del láser para la estabilización del ruido ultrabajo y el control def_{director ejecutivo}(ver figura. 3).

Transferencia de pureza espectral

El control efectivo y la estabilización de los grados de libertad de un peine de frecuencia óptica-su tasa de repetición, así como su portadora-frecuencia de desplazamiento de envolvente-son cruciales para aplicaciones de precisión, que requieren anchos de línea y estabilidades mucho más allá de las que se pueden lograr con cualquier peine-que funcione libremente (consulte la figura. 4a). El enfoque ubicuo es establecer un bloqueo óptico; es decir, transferir la pureza espectral proporcionada por una referencia óptica externa a una de las líneas de peine de frecuencia. Los sistemas de referencia ópticos de Menlo Systems logran habitualmente anchos de línea sub-hercios combinados con excelentes estabilidades de frecuencia. Combinan un láser-de onda continua-de modo único (CW), una cavidad de referencia óptica de alta-delicadeza y los componentes de bloqueo ópticos y electrónicos asociados-todos diseñados para proporcionar alta sensibilidad y un amplio ancho de banda de bloqueo.⁴La configuración convencional para bloquear un OFC a una referencia óptica externa se ilustra en la Figura 4b. Un bucle de control de tasa de repetición de este tipo se basa en detectar una nota de compás entre el láser de referencia CW y uno de los dientes del peine, medir cualquier deriva de frecuencia y aplicar retroalimentación al actuador de tasa de repetición del peine en consecuencia.

Fundamentalmente, aunque el esquema estabiliza el diente del peine elegido, solo el espacio entre el láser de referencia y esa única línea del peine es realmente fijo: debido a que el actuador de la tasa de repetición proporciona control sobre solo un grado de libertad, influye principalmente en las líneas del peine cercanas al punto de bloqueo. En consecuencia, el ancho de línea y el ruido de fase aumentan con la distancia espectral desde la referencia óptica. Esta limitación es inherente al esquema de bloqueo e independiente de la arquitectura del peine: ya sea un peine desplazado-libre o uno mismo-referenciado, cuando se bloquea mediante la tasa de repetición únicamente, la pureza espectral se degradará inevitablemente cuanto más lejos esté una línea de peine de la referencia óptica externa, y dejará las líneas de peine del dominio virtual de RF-prácticamente no afectadas. Más bien, como se ilustra en la Figura 4c, la transferencia de pureza espectral a través de todo el espectro del peine de frecuencia requiere complementar el actuador de tasa de repetición con un segundo bucle de control para la frecuencia de compensación de la envolvente portadora- (f_{director ejecutivo}). Involucrar a talf_{director ejecutivo}El circuito de retroalimentación cumple tres tareas esenciales: bloquearf_{director ejecutivo}a un valor elegido, suprimiendo su ruido coherente e incoherente y reduciendo el ruido de fase en todos los dientes del peine que están alejados de la referencia óptica externa. Elf_{director ejecutivo}La actuación actúa simétricamente en el espectro en el sentido de que tiene una influencia mínima en las líneas de peine cercanas a la referencia óptica, pero afecta fuertemente a todas las líneas de peine alejadas de ella, incluidas tanto las ópticas como las virtuales en el dominio de RF-. En general, el bucle rápido para el control de frecuencia de compensación de la envolvente-de la portadora puede percibirse como un actuador que complementa el actuador de tasa de repetición-para bloquear el segundo grado de libertad de una OFC.

El diseño de actuación dual de Menlo Systems permite una verdadera transferencia de pureza espectral-replicando con precisión la pureza espectral de una referencia óptica en cada línea de peine. Como se ilustra en la Figura 5, la pureza espectral también se mantiene a lo largo de las etapas de conversión de frecuencia, incluido el cambio de frecuencia, la generación de segundo-armónico o la generación supercontinua.

Aplicación destacada: relojes atómicos ópticos

La tecnología de ruido ultrabajo-de Menlo Systems ofrece precisión en todo el espectro, mejorando aplicaciones que requieren el rendimiento más preciso, como los relojes atómicos ópticos. En este campo, nuestros OFC permitieron la transferencia de las referencias ópticas más precisas del mundo a los relojes ópticos más precisos del mundo, comparaciones de relojes entre especies-de alta-precisión, así como la difusión a larga-distancia de señales de relojes ópticos a través de redes de fibra.

Transfiriendo la máxima precisión

Como se ilustra en la Figura 6, las cavidades de referencia óptica suelen estar disponibles en la región de longitud de onda del IR cercano-(normalmente alrededor de 1550 nm), donde ofrecen un rendimiento excelente y una alta confiabilidad a un costo comparativamente bajo. Como era de esperar, este rango de longitud de onda también alberga las cavidades de referencia de mayor-rendimiento disponibles actualmente. En un trabajo innovador realizado en colaboración entre JILA (EE. UU.) y Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; el Instituto Nacional de Metrología de Alemania), una cavidad criogénica de silicio monocristalino con espejos de silicio demostró una inestabilidad de frecuencia fraccional tan baja como 4 × 10^-17en un segundo y un ancho de línea de 5 mHz.⁵

Este desarrollo supone una mejora diez veces superior a las cavidades de vidrio de expansión ultrabaja (ULE)-de-moderna-a temperatura ambiente. Para transferir esta estabilidad y ancho de línea incomparables desde la longitud de onda operativa de la cavidad a 1542 nm al rango espectral visible para un reloj de red óptica de estroncio récord-operado a 698 nm,⁶Los investigadores confían en la tecnología de peine de frecuencia de ruido ultrabajo-de Menlo Systems (en paralelo, diseñamos la cavidad criogénica en nuestro modelo ORS-ULN).

Comparación de reloj-a-reloj

Aunque la definición actual del segundo que se basa en la transición hiperfina de 9,2 GHz dentro del cesio se ha mantenido durante más de medio siglo, se está llevando a cabo un esfuerzo de colaboración global para redefinir el estándar SI utilizando transiciones ópticas ultraestrechas dentro de átomos fríos e iones atrapados. En consecuencia, se están explorando como candidatos relojes ópticos basados ​​en una amplia gama de especies atómicas. Para evaluar estos nuevos estándares, se deben comparar varios relojes ópticos entre sí con el más alto nivel de precisión (ver Fig. 6), pero sus frecuencias de transición pueden diferir en cientos de terahercios y esto hace imposible cualquier medición electrónica directa.

Como lo demuestra un trabajo reciente, estas brechas de frecuencia se pueden salvar con la mayor precisión mediante la transferencia de pureza espectral: los OFC de ruido ultrabajo-de Menlo Systems permiten la comparación de relojes entre-especies a los 10^-18nivel y más allá.⁷En este contexto, la transferencia de pureza-espectral es una característica-prevista para el futuro necesaria para cualquier laboratorio de relojes ópticos, porque ofrece la opción de investigar varias especies atómicas mientras se confía con confianza en una única fuente para hacer referencia al peine de frecuencias.

Difusión a través de redes de fibra

Si bien experimentos pioneros están allanando el camino hacia relojes ópticos transportables, los relojes más precisos de hoy siguen siendo instalaciones estacionarias operadas por equipos de expertos en institutos nacionales de metrología, centros de investigación y universidades. Por otro lado, las comparaciones-a larga distancia y la difusión de señales de reloj ultraestables sólo son posibles a través de la banda de telecomunicaciones. Esto impone un desafío para las aplicaciones de red, porque los OFC bloqueados en una transición de reloj óptico generalmente no pueden interactuar fácilmente con redes de fibra ni permitir la distribución de señales de referencia a otros sitios.

El desafío deriva del efecto combinado del escalamiento del ruido de fase en los peines de frecuencia convencionales y la brecha espectral entre las transiciones del reloj óptico y la banda de telecomunicaciones. Como se ilustra en la Figura 6, la transferencia de pureza espectral supera esta barrera para permitir comparaciones de relojes de larga-distancia así como la difusión de referencias ultraestables a laboratorios que no operan sus propios relojes ópticos. Esta capacidad abre una amplia gama de interesantes oportunidades científicas-incluidos avances en tecnologías cuánticas, geodesia de alta-precisión, astronomía, navegación y pruebas de física fundamental.^8,9